τ－→π－π－π＋ντ及び τ－→K－K－K＋ντの崩壊分岐比の測定

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1 τ－→π－π－π＋ντ及び τ－→K－K－K＋ντの崩壊分岐比の測定
奈良女子大学大学院　　人間文化研究科 物理科学専攻　高エネルギー研究室　　 武藤　麻衣子 Introduction 実験装置　　（KEKB加速器　Belle測定器） 事象選別 τ－→π－π－π＋ντの崩壊分岐比、不変質量分布 τ－→K－K－K＋ντ崩壊 まとめ

2 1. Introduction τ粒子 τ粒子の崩壊 ・ 電子の質量の約3500倍 （ Mτ= 1.77 GeV ）
　・　第３世代に属するレプトン 　・　電子の質量の約3500倍　（ Mτ= 1.77 GeV ） 　・　質量が重い為、ハドロン崩壊が可能 　　　　　（π±、 K±中間子やハドロン共鳴状態に崩壊）　 τ粒子の崩壊　 　　　 レプトニック崩壊（τ－→ (e,μ)－νe,μντ ）　35.1%　 ハドロニック崩壊（ハドロンに崩壊） ハドロニック崩壊は 擬スカラー状態　ベクター状態　軸ベクター状態　ストレンジネス状態 の終状態を持つ。

3 ベクター状態 （ JP=1－ ) 擬スカラー状態 （ JP=0- ) π中間子が偶数個の崩壊 π中間子が１個のみの崩壊
　π中間子が１個のみの崩壊 今回の測定 軸ベクター状態　( JP = 1+) π中間子が奇数個　（ ＞３個 ） ストレンジ状態　（ S = ±1 ） K中間子を含む崩壊

4 ハドロニック崩壊 実験データによる 崩壊分岐比や不変質量など を測定することで求めることができる。 → 実験による高精度な解析結果が重要
低エネルギー（1 GeV 付近） のハドロン状態の研究に理想的 　＊　スペクトラル関数（真空期待値）の決定 に使用される。 ＊　強い相互作用の結合定数（αs）　の決定 実験データによる　 崩壊分岐比や不変質量など 　　　　　　　　　　　　を測定することで求めることができる。　　 →　実験による高精度な解析結果が重要

5 τ－→π－π－π＋ντ崩壊の物理 3つのπ中間子が存在する可能な量子数 JP=1+ , JP=0-
　　　　　　　　　　軸ベクター崩壊の中で最も大きい崩壊幅を持つ。 3つのπ中間子が存在する可能な量子数　　 JP=1+ , JP=0- この崩壊において、これまでに観測されている共鳴 * a1(1260)共鳴 JP=1+　　ma1 = 1.23 GeV Γa1 = 0.25 ～0.60 GeV a1(1260) 　　 ρ0　　　　 　　　 　　　　　π＋π－π± π± ＊ 可能な量子数である、JP=0－の状態の共鳴は？？　　　 a1以外の共鳴の存在の確認が課題　　

6 両成分の精密な 共鳴の幅 共鳴の質量 のデータが必要。
CP非保存の効果 τ－→(3π)－ντ崩壊はCP非保存の可能性が期待されている 　　→ ベクトル成分とスカラー成分の2つの過程がある為 　　　ベクトル成分（JP=1+） 　　　　　　　a1共鳴 　　スカラー成分（JP=0－） 　　　　 未確認の共鳴？ これらの共鳴の振幅干渉が、CP非保存を強調する。 CP非保存の正確な測定には 両成分の精密な　　共鳴の幅　共鳴の質量　のデータが必要。 今回は、これらの測定の第一段階として 　・　τ－→π－π－π＋ντ の崩壊分岐比の高精度による測定 　・　終状態　π－π－π＋　系の質量スペクトラムの研究 　・　a1共鳴以外の共鳴の存在の有無の確認　 を目的に解析を行う。　

7 ２．実験装置 KEKB加速器 非対称型エネルギー 電子・陽電子衝突型加速器 同量のτ粒子も生成 e－ ： 8GeV e＋ ：3.5GeV
　　　同量のτ粒子も生成 茨城県つくば市　高エネルギー加速器研究機構　　　　　　　　　　

8 Belle検出器 生成された粒子を検出する為の複数の装置で構成 SVD ：粒子崩壊点 の測定 CDC ：荷電粒子の飛跡や 運動量の測定
　　　　 運動量の測定 ACC : K±とπ±の識別 TOF : 荷電粒子の飛行時 間を測定 ECL : 電子や光子の エネルギー測定 KLM : KL,μ粒子検出器 ECL ACC

9 飛跡時間 チェレンコフ光の有無 電離損失 の違いを利用
Belle検出器の最大の特徴 K±中間子とπ±中間子の識別能力の高さ 飛跡時間　チェレンコフ光の有無　電離損失　の違いを利用 ＊　　TTOF　　（粒子の飛跡時間）　 　　　 LPATH　（粒子の飛行距離） 　　CDCで測定された運動量Pを用いて質量を計算し、種類を同定。 TOFで測定 Mπ= 139.5MeV MK = 493.7MeV ＊ エアロジェル を通過する時の、チェレンコフ光の有無。 1 / n < v / c チェレンコフ光を出す　　　　 π± 　　1 / n > v / c チェレンコフ光を出さない　　K± ACCで測定 π K dE/dx log10P ＊ 荷電粒子の、ガス中での電離損失（dE / dx） 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　CDCで測定 粒子の種類で、最小の電離損失となる運動量が異なる 電離損失を運動量の関数で与えた曲線の違いを利用

10 3. τ－→π－π－π＋ντ事象選別 e＋eー→ τ＋τー事象選別 ＊e＋e－の重心系で２つの半球に分け
3. τ－→π－π－π＋ντ事象選別 　e＋eー→ τ＋τー事象選別 Belle測定器で収集された全反応の中からτ対生成を選びだすことが必要。　　 　バックグラウンド　・・・　B中間子対生成 , μ対生成 , e＋e－→qq崩壊 　　　　　　　　　　　　　　　 バーバー散乱( e＋e－→e＋e－（γ） ) 　　　　　　　　　　　　　　　 二光子過程　 ( e＋e－→ e＋e－　ｌ＋ｌ－)　　 ｌ＝e,μ 信号サイド 見ている半球 タッグサイド ＊e＋e－の重心系で２つの半球に分け 　　　τ＋τ－それぞれの崩壊の区別を行う。 荷電飛跡 他の荷電飛跡と　90°以上離れている。 最も高い運動量を持つ。 事象軸　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 事象軸に垂直な面で、 生成した粒子を２つの半球に分離し、 １半球毎に条件を課していく。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

11 e＋e－→τ＋τ－選別条件 選別後 τ対事象数 22.7×106 ミッシングによる条件
　・　荷電飛跡の本数が2～4本　　全τ崩壊事象の85％を選ぶことができる 　・　全電荷が保存されていること。　　　　 　・　検出されないニュートリノによる、ミッシング質量（MM）とミッシング角　 　　　（θmiss）の情報を用いた条件。　赤枠内を τ対生成 として選別。 選別後　τ対事象数　22.7×106 ミッシングによる条件 2光子過程反応 θmiss MM2 θmiss 運動量の保存から決まったミッシングの重心系における方向　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 終状態の 全荷電粒子と光子の 4元運動量の和 始状態e＋e－のビーム 全4元運動量 バーバー散乱、μ対生成

12 τ－→(3h) －ντ選別 選別されたτ対生成を用いて、 h = π、K の荷電中間子 3個の荷電ハドロンに崩壊する事象を選別する。
　選別されたτ対生成を用いて、 　　　3個の荷電ハドロンに崩壊する事象を選別する。 h = π、K　の荷電中間子 τ－→( 3h ) －ντ事象候補 信号サイドに、荷電飛跡が3本あるもの シグナルの他に ＊ π0を含む崩壊　＊π±π0崩壊　　＊Ksπ±崩壊 ＊　e＋eー→qq崩壊 バックグラウンドを除く為の条件 π0を含む崩壊　　 Eクラスター＞ 0.2 GeV π±π0崩壊　　　　 Me＋eー　＞　0.1 GeV / c2　 Ksπ±崩壊　　　　 Ks候補が存在 e＋eー→qq崩壊　 Mtag（タッグ半球の全粒子の不変質量） ＞1.8 GeV 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　τの質量より重い為、τ崩壊ではない　 これらの 条件の説明を 行っていく

13 バックグラウンドの除去 ■ π0を含む崩壊事象の除去 特徴 γの存在 →π0は99%の確率で2つのγに崩壊する為。
■　π0を含む崩壊事象の除去 特徴　　γの存在 　　　　　　→π0は99%の確率で2つのγに崩壊する為。 これらのγのエネルギーは、ECLカウンターでのエネルギー損失により測定可能。 　1つの粒子に対して、反応したカウンター群をクラスターと呼ぶ。 物質に入射した際に起こす電磁シャワーを、感知したカウンター　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 γの入射したカウンター　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 1事象に1個以上のクラスターが存在する時の最大エネルギーを分布で確認。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

14 クラスターのエネルギー分布 クラスターエネルギーの分布 （logスケール） 0～0.7GeV領域の分布
Data τMC (total) τ→3hπ0ν τ→3h 2π0ν τ→3h ν 1 3 5 Eクラスター クラスターエネルギーの分布　（logスケール） 0～0.7GeV領域の分布 0.2 Data τMC (total) τ→3hπ0ν τ→3h 2π0ν τ→3h ν Eクラスター 0.4 0.7 π0事象を除去し、シグナルを選別する条件　　　Eクラスター ＜ 0.2GeV π0を含む崩壊の除去率は約85%

15 ■ τ－→π－π0ντ 崩壊事象の除去 識別方法 含まれる原因 π0から崩壊したγが検出器の近くで電子対(e＋e－)生成し、
■　τ－→π－π0ντ　崩壊事象の除去 含まれる原因　　π0から崩壊したγが検出器の近くで電子対(e＋e－)生成し、 　　　　　　　　　　 その飛跡が荷電粒子と数えられる為。　　　　　　 識別方法 0.1 0.4 0.8 Me+e- 　Data 　τMC (total) 　τ→3hπ0ν 　τ→π－π0ν 　τ→Ksπν 　　　荷電粒子 = 電子 Me=0.51GeVを用いて 符号の異なる荷電粒子２つの 　不変質量分布Me+e－を確認 　→　e＋e－はγによって生成しているので、不変質量が小さくなる為、シグナルと識別可能になる。 　　0.1GeV以下 τ－→π－π0ντのピークを 確認　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 条件　Me＋eー < 0.1 GeV 　　　　を満たす事象は除去　 τ－→π－π0ντを　約90%　除去

16 含まれる原因 Ks→π＋π－に崩壊するため。
τ－→(3h)－ντ と、 τ－→Ksπ－ντ 崩壊の区別に、Ksの特徴を使う。 0.51 0.487 　Data 　τMC (total) 　τ→Ksπν 　τ→3h ν V0 π＋ π－ 　ビーム衝突点から離れた地点で、　 　V状の軌跡で崩壊 ( V0粒子) Ksの特徴 Mπ＋π－ Ks崩壊である条件 1.0 cm < L_xyz(V0) 487 MeV < Mπ＋π－<510MeV 　Ks崩壊の条件を満たす事象を除去 τ→Ksπν崩壊を約84%除去

17 以上の条件で選別されるハドロンには、π中間子とK中間子が存在。
τ－→π－π－π＋ντ選別 ■　π±K±識別 以上の条件で選別されるハドロンには、π中間子とK中間子が存在。 3つのπを選ぶには、πとKの識別が必要 Belle検出器での識別によって与えられた荷電粒子ID (Pπ/ K)を用いて選別を行う。 ＊　π±とIDされる確率　　 Pπ/ K ＞　0.8 　τ－→π－π－π＋ντの場合、 　　　　同じ電荷を持つ粒子がπとIDされているものを要求 　　　　　　　　τ－→π－K－π＋ντ崩壊と 　　　　　　 τ－→π－K－K＋ντの区別をする為。 ( Kらしい )　 （ πらしい ）

18 選別の結果 τ－→π－π－π＋ντ候補数 2.37×106事象 72.2/fb Data τMC (total) τ→a1→3πν
　 B.G ( total ) τ→3h π0 ν 　 q q BG τ－→π－π－π＋ντ候補数 2.37×106事象 72.2/fb

19 バックグラウンド合計 bfeed-down
シグナルに含まれるバックグラウンドの割合 ■　他のτ崩壊からくるバックグラウンド 崩壊項目 崩壊項目の割合 [%] τ－→(3h)－π0ντ 7.61 τ－→Ksπ－ντ 0.55 τ－→π－π0ντ 0.18 その他のτ崩壊バックグラウンド 0.08 バックグラウンド合計 bfeed-down 9.23 ± 0.03 ■　e＋e－→qq崩壊によるバックグラウンド bnon-τ　＝ ± %

20 4. τ－→(3π)－ντ崩壊分岐比の測定 崩壊分岐比の測定方法 バックグラウンドの割合や、シグナルの検出効率を使用 τ対検出効率
4. τ－→(3π)－ντ崩壊分岐比の測定　 崩壊分岐比の測定方法 バックグラウンドの割合や、シグナルの検出効率を使用 τ対検出効率 32.6 ± 0.01 % τ対におけるシグナルの検出効率 29.9 ± 0.03 % シグナル候補におけるシグナル検出効率 70.6 ± 0.10 %

21 K π 識別に関する効率の補正 επID-correction
　この補正は、 　*　D0 →π＋K－　　D0→π－K＋　崩壊を利用している。 2つ荷電粒子を識別した場合の補正効率 　　επID-correction = ( 91.3± 1.5 ) %

22 ■ 系統誤差の見積もり 系統誤差の項目 ΔBr3π/ Br3π ( % ) 飛跡検出効率の不定性 3.0 バックグラウンドの評価による不定性
■　系統誤差の見積もり 系統誤差の項目 ΔBr3π/ Br3π　( % ) 飛跡検出効率の不定性 3.0 バックグラウンドの評価による不定性 0.11 クラスター除去による条件の不定性 0.78 π/ K 識別による不定性 0.22 トリガーの不定性 0.34 モンテカルロの不定性 系統誤差の大部分は、飛跡検出効率の不定性である。

23 ■ 他実験との比較 Br 3π ( % ) PDG (2006) 9.02 ± 0.06 BaBar (2007) preliminary
■　他実験との比較 Br 3π ( % ) PDG　　(2006) 9.02 ± 0.06 BaBar (2007)　 preliminary 8.83 ± 0.01 ± 0.13 CLEO (2003) 9.13 ± 0.05 ± 0.46 Belle　（今回） 8.94 ± 0.02 ± 0.28 他実験と比較して、 ＊　統計誤差は少なく抑えられている ＊　誤差の範囲内で一致

24 τ－→(3π)－ντ不変質量分布 π－π－π＋不変質量分布 ・ モンテカルロは、データの ふるまいを、おおよそ再現している。
　Data 　τMC (total) 　τ→a1→3πν 　 B.G ( total ) τ→3h π0 ν 　 q q BG π－π－π＋不変質量分布 ・　モンテカルロは、データの 　 ふるまいを、おおよそ再現している。 ・　ピークの高さと幅に差が見られる。

25 π－π＋の不変質量分布 ・ 770MeV付近 ρ(770)のピークが見える。 a1→ρπ 崩壊を示す。 ・ 0.7GeV以下の領域
　Data 　τMC (total) 　τ→a1→3πν 　 B.G ( total ) τ→3h π0 ν 　 q q BG ・　770MeV付近 　ρ(770)のピークが見える。 　　a1→ρπ　崩壊を示す。 ・　0.7GeV以下の領域 　　　データとMCで差がある。 　現在のMCで含まれている　 　　　　　　a1共鳴のみ a1共鳴以外の存在の可能性

26 5. τー→KーKーK＋ντ崩壊の探索 ■ τー→KーKーK＋ντ崩壊の物理 ・ この崩壊はBファクトリー実験以前には観測されていなかった。
　・　終状態がS=±1 のストレンジ崩壊 ・　この崩壊はBファクトリー実験以前には観測されていなかった。 現在、Br3K < 3.7 × 10 – 5 と上限値が与えられている。 　・　将来タウニュートリノの質量の精密測定　( M3K － Mτ ) に有望　　　 　　 なモードである。 今回　・　終状態が3つのK中間子に崩壊する信号の存在の確認 　　　　・　崩壊分岐比Br3Kの測定 τ－→( 3K )－ντ事象選別 ・　τ－→( 3h )－ντ崩壊事象の選別までは同様 ・　 K±とIDされる確率を、 P K / π ＞　0.9 　　 ３つの荷電粒子全てが、K±とIDされているものを選ぶ。

27 選別後のK-K-K+候補事象の不変質量分布
　Data 　τMC (total) 　 q q B.G ・　データによる 3K崩壊 候補数　　 5,088　±　71事象 ・　e＋e－→qq崩壊のバックグラウンド数　 　3,065　± 153 事象 ・　τ崩壊による 　　　　　　バックグラウンド数　 1,556 ± 177 事象 τ－→ ( π2K) －ντ　　82.0 % τ－→ ( 2πK )－ντ % τ－→ ( 3π)－ντ　　　4.3 % τ－→ π－π0ντ 　3.7 %　　　　 D0→π＋K－崩壊を用いて得られ る補正係数εfake-rate　= 2.354 をかけて事象数を算出。 πをKと誤まって認識して バックグラウンドとして含まれる。

28 誤差項目 ΔN（事象数） 統計誤差 ± 71 他のτ崩壊によるB.G.の評価の不定性 ± 163 τ－→(KKπ)－崩壊のBrの不定性 ± 69 e＋e－→qq崩壊評価の不定性 ± 153 合計 ± 244 τー→KーKーK＋ντ信号数　 　　= 5,088 – 3,065 – 1,556 = ± 244 　事象 信号の優位性は、1.5σレベル

29 Belle実験で収集された 72.2 /fb のデータ。τ対生成事象 22.7×106 事象
6. まとめ Belle実験で収集された 72.2 /fb　のデータ。τ対生成事象　22.7×106 事象 ■ 　τ－→π－π－π＋ντ事象　( 2.37×106事象) ○　崩壊分岐比　Br 3π = ± 0.02 ± ( % ) 　　　　他実験と誤差の範囲内でよく一致している。 　　　　系統誤差に関して改良の余地がある。 ○　π－π－π＋　系、 π－π＋　系の質量分布　 　　　　データとモンテカルロに差が存在。　 　　　　　　　　→a1共鳴以外の寄与の可能性。 ■　τ－→K－K－K＋ντ事象候補　 5,088事象　( バックグラウンドが支配的 ) ○　崩壊分岐比　Br 3K = ± ( ×10 -5 ) 　 今後の課題　　モンテカルロの事象数を増やす。 　　　　　　 π/ K識別の最適化。　　 　　　　　　　　　　　 実験データ数の増加。（今回使用したデータ数は、現在収集さ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 れているデータの10分の1。）

30 また、終状態の3π系や2π系の不変質量分布から、これまでに知られているa1共鳴以外の要素の存在を示唆する兆候を得た。
　Data 　τBG 　 q q B.G Belle/KEKB実験で収集した高統計のτ粒子対生成事象を用いて、τ-→π-π-π＋ντ崩壊分岐比を高精度で観測し、結果Br3π＝（8.94＋/－0.02＋/－0.28）%を得た。 また、終状態の3π系や2π系の不変質量分布から、これまでに知られているa1共鳴以外の要素の存在を示唆する兆候を得た。 τ-→K-K-K＋ντ崩壊については、Br=10-5レベルで信号らしき兆候を得たが、信号の優位さは１σレベルであった。